James Webb, confermato il tasso di espansione dell’Universo

Il James Webb ha confermato le misurazioni effettuate in precedenza da Hubble sul tasso di espansione dell’Universo.

La velocità con cui l’universo si sta espandendo, nota come costante di Hubble, è uno dei parametri fondamentali per comprendere l’evoluzione e il destino ultimo del cosmo. Tuttavia, si osserva una differenza persistente chiamata “tensione di Hubble” tra il valore della costante misurata con un’ampia gamma di indicatori di distanza indipendenti e il suo valore previsto dal bagliore residuo del Big Bang. Il telescopio spaziale James Webb della NASA grazie alle nuove capacità di esame, ha confermato il tasso di espansione dell’Universo esaminando con accurata precisione alcune delle prove osservative più forti di questa tensione.

Il premio Nobel Adam Riess della Johns Hopkins University e dello Space Telescope Science Institute e il suo team hanno presentato un recente lavoro che ha utilizzato le osservazioni di Webb per migliorare la precisione delle misurazioni locali della costante di Hubble.

La costante di Hubble

Ciò che i cosmologi vogliono vedere, quando si parla di espansione, è una sorta di segnale di limite di velocità cosmica che ci indica quanto velocemente l’universo si sta espandendo – un numero chiamato costante di Hubble.  La luminosità di alcune stelle nelle galassie più lontane ci dice quanto effettivamente siano distanti e quindi per quanto tempo questa luce ha viaggiato per raggiungerci. Di conseguenza gli spostamenti verso il rosso delle galassie ci dicono quanto l’universo si è espanso in quel tempo, fornendoci quindi il tasso di espansione.

Una particolare classe di stelle, le variabili Cefeidi, ci ha fornito le misurazioni più precise della distanza per oltre un secolo perché queste stelle sono straordinariamente luminose: sono stelle supergiganti, centomila volte la luminosità del Sole. Inoltre, pulsano (cioè si espandono e si contraggono in termini di dimensioni) per un periodo di settimane che indica la loro luminosità relativa. Più lungo è il periodo, più sono intrinsecamente luminose.

Le Cefeidi sono lo strumento principale per misurare le distanze delle galassie distanti cento milioni o più di anni luce, un passo cruciale per determinare la costante di Hubble. Sfortunatamente, le stelle nelle galassie sono affollate insieme in un piccolo spazio dal nostro punto di osservazione distante e quindi spesso non abbiamo la risoluzione necessaria per separarle dalle loro vicine in linea di vista.

Una delle principali giustificazioni per costruire il telescopio spaziale Hubble fu di risolvere questo problema. Prima del lancio di Hubble nel 1990 e delle successive misurazioni delle Cefeidi, il tasso di espansione dell’universo era così incerto che gli astronomi non erano sicuri se l’universo si fosse espanso per 10 o 20 miliardi di anni. E un tasso di espansione più rapido porta a un’età più giovane dell’universo, mentre un tasso di espansione più lento a un’età più avanzata.

Hubble ha una migliore risoluzione della lunghezza d’onda visibile rispetto a qualsiasi telescopio terrestre perché si trova al di sopra degli effetti di sfocatura dell’atmosfera terrestre. Per questo ha potuto identificare le singole variabili Cefeidi nelle galassie distanti più di cento milioni di anni luce e misurare l’intervallo di tempo durante il quale cambiano la loro luminosità.

L’arrivo del James Webb e dell’infrarosso

Tuttavia, dobbiamo anche osservare le Cefeidi nella parte dello spettro del vicino infrarosso per vedere la luce che passa indenne attraverso la polvere interposta. La polvere infatti assorbe e disperde la luce ottica blu, facendo sembrare deboli gli oggetti distanti e inducendoci a credere che siano più lontani di quanto non siano. Sfortunatamente, la visione a luce rossa di Hubble non è nitida come quella blu, quindi la luce delle stelle Cefeidi che vediamo lì si fonde con altre stelle nel suo campo visivo.

Possiamo tenere conto della quantità media di miscelazione, statisticamente, nello stesso modo in cui un medico calcola il tuo peso sottraendo il peso medio dei vestiti dalla lettura della bilancia, ma così facendo aggiungi rumore alle misurazioni perchè “i vestiti di alcune persone sono più pesanti di altri”.

Ma la nitida visione a infrarossi è uno dei superpoteri del James Webb Space Telescope. Con il suo grande specchio e l’ottica sensibile, può separare facilmente la luce delle Cefeidi dalle stelle vicine con poca fusione. Nel primo anno di attività di Webb con il programma General Observers 1685, ha raccolto osservazioni di Cefeidi trovate da Hubble lungo quella che è conosciuta come la scala della distanza cosmica. Il primo passo prevede l’osservazione delle Cefeidi in una galassia con una distanza geometrica nota che ci consente di calibrare la vera luminosità delle Cefeidi. Per il nostro programma quella galassia era NGC 4258.

Il secondo passo è osservare le Cefeidi nelle galassie ospiti delle recenti supernove di tipo Ia. La combinazione dei primi due passaggi trasferisce la conoscenza della distanza alle supernovae per calibrare la loro vera luminosità. Il terzo passo è osservare quelle supernove lontane dove l’espansione dell’universo è evidente e può essere misurata confrontando le distanze dedotte dalla loro luminosità e gli spostamenti verso il rosso delle galassie ospiti della supernova. Questa sequenza di passaggi è nota come scala della distanza.

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Misurazioni complete

Recentemente sono state ottenute le prime misurazioni James Webb dai passaggi uno e due che ci consentono di completare la scala delle distanze e confrontarle con le misurazioni precedenti di Hubble. Le misurazioni di Webb hanno ridotto drasticamente il rumore nelle misurazioni delle Cefeidi grazie alla risoluzione dell’osservatorio a lunghezze d’onda del vicino infrarosso ottenendo il miglioramento tanto atteso dagli astronomi.

Nei primi due passaggi sono state osservate oltre 320 Cefeidi che hanno confermato come le misurazioni precedenti del telescopio spaziale Hubble fossero accurate, anche se più rumorose. Sono state osservate anche altre quattro supernove con il James Webb osservando un risultato simile per l’intero campione.

Ciò che i risultati ancora non spiegano è perché l’universo sembra espandersi così velocemente. Possiamo prevedere il tasso di espansione dell’universo osservando la sua immagine di quando era appena nato, ovvero lo sfondo cosmico a microonde, e impiegando il nostro miglior modello di evoluzione nel tempo per dirci quanto velocemente l’universo dovrebbe espandersi oggi.

Il fatto che l’attuale misura del tasso di espansione superi significativamente la previsione è un problema ormai decennale chiamato “tensione di Hubble”. La possibilità più entusiasmante è che la tensione sia un indizio di qualcosa che ci manca nella nostra comprensione del cosmo. Potrebbe indicare la presenza di energia oscura esotica, materia oscura esotica, una revisione della nostra comprensione della gravità o la presenza di una particella o di un campo unico.

La spiegazione più banale sarebbe che più errori di misurazione creassero una serie di problemi – gli astronomi hanno sino ad oggi escluso un singolo errore utilizzando passaggi indipendenti – ecco perché è così importante ripetere le misurazioni con maggiore accuratezza. La conferma del James Webb delle misurazioni di Hubble è la prova più forte finora che gli errori sistematici nella fotometria delle Cefeidi di Hubble non svolgono un ruolo significativo nell’attuale tensione di Hubble. Di conseguenza, tutte le possibilità più interessanti rimangono sul tavolo e il mistero che avvolge la tensione di Hubble si approfondisce.

Fonte: NASA, The Astrophysical Journal